Utiliser un gnomon fabriqué en classe

Dans ce document, un enseignant rapporte le déroulé d’une séquence d’activités qu’il a menée en classe - réactions des élèves, difficultés rencontrées, conseils aux autres enseignants... Ces témoignages peuvent être utiles à la fois dans le cadre de la préparation d’une séquence ou activité de classe, ou servir de matière aux enseignants pour construire leurs propres activités de classe.

Notions et connaissances travaillées : Décrire les mouvements de la Terre (rotation sur elle-même et alternance jour-nuit, autour du Soleil et cycle des saisons)

Disciplines : Sciences et technologie; Physique (Collège)

Déroulé : Après avoir fabriqué un gnomon, les élèves le placent dans un endroit bien ensoleillé - tout au long de la journée et sur plusieurs mois - et relèvent que la taille de son ombre varie au cours du temps.

Message à emporter : Au cours de la journée et au fil des jours, l'ombre du gnomon change car il se trouve sur la Terre, qui tourne sur elle-même et autour du Soleil.

Objectifs : 1/ Observer le mouvement apparent du soleil à partir des ombres portées. 2/ Déterminer le midi solaire à partir de la longueur des ombres (l'ombre la plus courte correspondant au midi solaire). 3/ Avec 2 enregistrements aux solstices (été- hiver), constater la différence de hauteur du Soleil. (et l'inclinaison de la Terre par rapport au Soleil, grâce à une manipulation supplémentaire). 4/ Faire l'enregistrement aux équinoxes pour constater que la fameuse phrase " le soleil « se lève » à l'Est et se « couche » à l'Ouest " n'est valable que 2 jours par an.

Construction d'un gnomon

- Tracer les médianes de la planche. Enfoncer le clou à l’intersection des lignes (en veillant à ce qu'il soit bien perpendiculaire au plan de la feuille), bien enfoncer la tête du clou (variante : tige de bois amovible). Retourner la planche.Tracer sur une feuille des lignes perpendiculaires qui seront les lignes N- S et O- E. Scotcher la feuille sur la planche, en faisant passer le clou à l’intersection des lignes. (variante : feuille de calque)

Mot de La main à la pâte :
S’il est évident pour l’enseignant que l’ombre ne se trouvera jamais au nord du clou, ça ne l’est pas pour l’enfant. C’est pourquoi un socle carré est proposé, le bâton se trouvant au milieu du socle.

Quand les enfants ont constaté que la moitié de la feuille est inutilisée, ils peuvent comprendre que la forme rectangulaire est plus appropriée, et que le bâton n’est pas au centre.

Le gnomon pourra alors se présenter alors ainsi (sur la base d’une feuille A4)

Une proposition d’utilisation du gnomon

- Placer le gnomon à un endroit bien ensoleillé tout au long de la journée
- Vérifier l'horizontalité de la planche (avec la bille ou le niveau à bulle)
- Positionner le gnomon à l'aide de la boussole (ou simplement repérer sa position au sol, on peut laisser les enfants positionner indifféremment leurs gnomons, comparer ensuite les tracés, sur place, ou feuille enlevée, et comprendre ensuite l’intérêt d’utiliser la boussole)
- Tracer l'ombre du clou sur la feuille à différents moments de la journée. Si possible d'heure en heure, du lever au coucher du soleil (noter ces heures)
- Relier l'extrémité des ombres
- Mesurer éventuellement l'angle entre l'ombre du lever et l'ombre du coucher
- Faire le lien avec la durée d'ensoleillement
Le matériel est donné aux enfants (un gnomon dans chaque groupe) sans explications.

Autre scénario pour l’utilisation du gnomon.

Résumé :

- L’ombre n’a pas toujours la même longueur
- Comment mesurer une ombre ? L’ombre de quoi ? ( introduction du gnomon)
Dans le noir, je ne peux pas mesurer. Je sors faire des relevés… ( ombre d ‘un objet éclairé par le soleil, et non pas les lampes de la classe? En parallèle : jeux sur des ombres d’objets éclairés par des lampes de poche.)
- Mise en place des observations (à des heures différentes, des mois différents, et en parallèle des endroits différents- correspondants)
- Bilan par confrontation des relevés des groupes (heures, météo couverte ou non, heure matinale…)
- Confrontation au savoir

Déroulement :

1- Elément déclencheur
Les enfants voient leur ombre dans la cour et s'interrogent : "Comment expliquer que mon ombre n'est pas toujours la même ?" C’est la question d'enfant : "Comment mesurer « l'ombre du Soleil ? »" qui a servi ici de départ aux recherches. Cette formulation - incorrecte - sera progressivement rectifiée au cours de la séquence.
Dans le vocabulaire utilisé par les enfants, être au soleil est le contraire d’être à l’ombre. (mais pas à l’ombre du soleil !) On observera les variations de longueur et de position d'ombres d'objets exposés au Soleil (voire à une source lumineuse)

2- L'ombre (d’un objet, d’un animal, d’un homme…) n'a pas toujours la même longueur
Pour aider les élèves à répondre à cette question, l'enseignant apporte des gnomons. Le matériel est donné aux enfants (un gnomon dans chaque groupe) sans explications : Questions : à quoi ressemble cet objet ? à quoi peut- il servir ?
Questions d'enfants : « est- ce que c'est une horloge solaire ? à quoi peut bien servir la feuille de calque ? C'est un instrument pour mesurer le vent ; c'est pour dessiner ; c'est un cadran solaire pour mesurer le temps ; c'est pour mesurer l'ombre d'un bâton ». Réponse retenue validée par l'enseignante : « c'est un instrument pour mesurer l'ombre d'un bâton. »

3- Relevés
La tige en bois est amovible (trou au diamètre de la tige) : on la retire, on place le calque sur la planche, on enfonce la tige dans le trou en perforant le calque.
On place la planche de façon à voir une ombre apparaître sur le calque.
On repère l'endroit où l’on place la planche au premier relevé pour conserver le même emplacement pour tous les relevés suivants.( craie, marqueur au sol, adhésif)
On effectue des relevés sur un même calque, en faisant attention à bien écrire à chaque fois la date, l'heure et le lieu du relevé :
- de 9h à 16h, toutes les heures (fréquence à respecter impérativement). Les relevés entre 11h et 14h sont très importants. Echelonner ces relevés sur des mois différents (ex : octobre, décembre, mars, juin). Nécessité d'établir un calendrier précis.
- systématiquement, tous les matins et tous les soirs, à 9h et à 16h, pendant une période donnée.
- noter quand le temps est couvert.
Si on a la possibilité d'échanges et/ou de correspondance scolaires, il faut veiller à ce que cela se fasse sous des latitudes différentes (Yvelines et Jura dans notre cas). Les relevés doivent être faits aux mêmes dates et aux mêmes heures aux deux endroits. Possibilité ensuite de comparer les relevés en superposant les calques.
Les caractéristiques du gnomon peuvent susciter différentes petites manipulations
- tige qui n’est pas au centre du socle, pourquoi ?
- tige perpendiculaire au socle (pourquoi ?)
- repérage de la position du gnomon dans l'espace, et du calque par rapport au socle, pourquoi ?

4- Expériences à réaliser
Eclairer le gnomon avec une lampe de poche et déplacer la source de lumière pour faire correspondre l'ombre avec les tracés réalisés. L'ombre est la plus courte quand la lampe est placée au point le plus élevé.
Que remarque- t- on ?
Comment placer la lampe pour obtenir l'ombre la plus courte ?
Transfert des réponses sur les calques, constat et analyse.

5- Exploitation des relevés
En fin d'observation (fin d'année), relier les extrémités des tracés entre elles de façon à faire apparaître les tracés incohérents. On obtient une ligne courbe. Repérer l'ombre la plus courte. Qu'est- ce que cela veut dire ? Pour trouver une réponse, nécessité de mettre en place une expérimentation avec une lumière artificielle.

6- Etude documentaire
Recherche sur le midi solaire, le Soleil est au Sud, l'ombre au Nord.
Possibilité de repérage, grâce à ce système, des points cardinaux.
Possibilité de repérer la variation, suivant les saisons, des levers et couchers de Soleil.
L'ombre la plus courte donnant le midi solaire, quelle est l'heure donnée par une montre ? en été ? en hiver ?